彩色三维打印的集束交错式混色喷头及制造工艺的制作方法

[]本发明属机械制造领域，确切的讲是一种专门用于fdm-3d打印机的混色挤出机喷头，适用于多色或混色的打印情况。

背景技术：

0、[背景技术]

1、本发明是针对fdm-3d打印技术：详称熔融沉积成型(fused depositionmodeling,fdm)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料abs、聚碳酸酯pc等)加热熔化进而逐层堆积成型方法，简称fdm。大部分fdm快速成型技术可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(abs)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中pla(聚乳酸)具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点。

2、fdm-3d打印机基本构造与运行原理表述为：

3、主要包括送料机构，运载挤出机的2维或3维(水平x轴y轴运动及垂直z轴驱动)运动的机械载台，或挤出机的(z轴方向)垂直方向保持静止，由z轴方向的运动由一个独立的载物工作台的升降完成；目前fdm-3d打印机的驱动挤出机寻址的3维机械系统分为：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的(x、y轴)2维机械传动+(z轴)升降载物工作台系统、垂直3丝杠驱动(俗称：る方式)的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统等。还有保持上述运动构建的结构壳体等；还有支持机械系统运动的电子控制系统等。

4、工作情况如下：在电子系统的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，挤出机作x-y平面运动，载物工作台调整高度，打印开始时工作台平面位于热熔喷头喷口位置，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.1—8mm厚的薄片轮廓。在一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面及轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。往往使用1个专用喷口来铺设支撑材料(支撑材料一般是水溶性的，打印完毕后水洗除掉)；打印过程中，打印头在平面上的位移以及配合打印平台上下位移会形成一个三维空间，打印头和打印平台根据生成的路径进行打印，打印头完成一个平面上的打印任务后，打印平台自动下降一层，打印头继续打印，循环往复直至成品的完成。或者不使用z轴电机驱动打印物件平台升降，打印物件平台保持z轴方向静止，使用z轴电机驱动挤出机上下移动；或者利用3根垂直丝杠驱动3个垂直移动的滑块，3个滑块都与挤出机进行铰轴链接，通过算法(3个滑块的z轴方向的位置坐标来决定挤出机的3维空间位置)而同样达到三维位移寻址的目的。打印头温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，打印头的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印平台一般为加热，打印平台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。

5、其结构细节阐述为：挤出机是fdm快速成型技术的核心的部件是挤出机，而挤出机的构件包括送料器部分(也叫送丝器、推料器等称呼)及挤出喷头部分：喉管、加热金属体、加热棒及温度传感器等部件，多数采用加热棒对金属块进行加热,将塑料丝经过喉管的入口端挤入，再通过喉管导向，到达金属块加热部位熔化后进入喷口区域，融化后的塑料丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷口挤出，并挤到打印台上,挤出机中的喉管由不锈钢制造，是为了降低其导热性能，不锈钢喉管有些内部还衬有铁氟龙，由于挤出机长期加热打印致使吼管内部温度升高，导致管内料也处在熔融状态，当停止打印冷却后，材料就黏结在管内，下次重新开机打印时，管内黏着料不能马上融化，使喉管出现堵料现象，喉管内部衬铁氟龙，使喉管内料都不会熔融黏着，能大大改善堵头问题。同时作者在挤出机外加散热片和风扇，主要也是为了降低喉管上部的温度，防止堵头问题，也可以为挤出机散热。加热熔化后的塑料丝由喷嘴挤到打印台上，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，可以使用热床打印台。位于挤出机最下端喷头的喷口直径常见有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm的喷口，选定好喷口直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。

6、与单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机并列排列，打印速度更快效率也更高，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚度要求也更高。这样会降低打印的精度。单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机并列排列，并将相对位置固定，由于有两个喷头，双挤头安装在滑块上，由滑块与导轨连接，位于挤出机最下端喷头的喷嘴直径有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm的喷嘴，当然根据实际需要可以购买不同直径的喷嘴，这里值得提出注意的是，选定好喷嘴直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。齿轮再靠紧料丝，

7、近端送丝的挤出机就是将送料器安装在挤出喷头(往往是一个组件：含有加热铝块、加热棒、喉管、喷嘴及散热器等)上，材料由送料电机直接驱动齿轮，利用齿的摩擦推力将料丝挤入喉管，在金属块中融化由喷口喷出打印。这种安装方式由于挤出机与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。而远端送丝是将送料器安装在离挤出喷头较远位置上，由铁氟龙导料管联通导料；远程送料器的驱动电机一般安装在打印机框架上，由导管送入料丝；而不是安装在挤出喷头上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中。

8、电路部分包括：电路部分包括：3d打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调、有序、完整的运行。根据需要修改固件中部分参数来满足打印的要求。包括需要接两个12v电源，其中一个为11a，为加热床供电，另一个为5a，为挤出机、各轴电机及风扇等元件供电，由于作者未使用加热床，只使用一个12v、5a电源即可，位于拓展板右上角，有x、y、z方向的限位开关，可以控制打印机每次工作时的原点。步进电机驱动板是用来连接步进电机的，从而实现主控板对步进电机的控制，实现xyz轴电机及挤出机的动作。步进电机驱动板的特点是，它只有简单的步进和方向控制接口，有5个不同的步进模式：全、半、1/4、1/8和1/16，可调电位器可以调节最大电流输出，从而获得更高的步进率，有过热关闭电路、欠压锁定、交叉电流保护的功能，以及接地短路保护和加载短路保护的作用，驱动板通过引脚接插到拓展板中对应的接口上。软件部分包括：3d打印机软件部分包括上位机软件和下位机软件两大部分，而每部分又有细分，通过软件的运行：首先，作者需要在电脑上的三维建模软件中完成零件的建模，如solidworks、ug、3d max等三维软件，创建完3d模型以后将文件另存为stl格式，将stl文件在切片软件slic3r中打开，通过一系列的打印设置，进行切片产生代码，在另一上位机软件pronterface上将代码打开，并连接主板，主板上的下位机软件为marlin固件，运行前已提前进行参数设置，连接成功后，主板上的led灯会闪烁，待打印机上加热管加热，温度升至设定温度后开始打印。下面具体介绍一下打印机的软件部分。下位机软件marlin固件为自由软件，可以直接用来做软件开发，而作者在3d打印机中使用marlin固件时，只需要在arduino ide软件中下载完固件，找到marlin固件中的configuration.h文件，可根据自己的需要来修改相关的代码内容，作者研制的打印机需要做如下修改。

9、目前的技术缺陷：就对于fdm-3d多色选择性的打印机来说，目前的2进1出混色挤出机的功能及性能还不能满足需求：表现为换色非常缓慢、混色得效果很差且易于热堵头、体积大等缺陷；近年来深圳湾工作室合作人彩科技有限公司，在2、3、4、5、7进1出的混色喷头性能改善上取得了显著的进展。

技术实现思路

0、[ 技术实现要素： ]

1、本发明目的：在深圳湾工作室合作人彩科技有限公司合作的：2、4、5进1出的混色喷头结构基础及原理上，提出解决解决目前行业熔融沉积(fdm-3d)的混及多色喷头另外一种构造。

2、本发明特点：建立混色腔多枝干的集束交错式混色混色喷头方式，通过对柔性毛细管的交错排布，也就是在各色的出口处进行各色的交错、间隔，且尽量均匀的排布；为良好的混色提供了进料分布的数学边值条件，来实现混色静音、快速、均匀的一种紧凑结构。

3、

4、本发明是一种流道交错积分式2、3、4、5及更多色的混色三维打印喷头组件及制造工艺；是专门为fdm-3d打印机的混色及彩色而设计的喷头。

5、而fdm-3d打印机运行所需要的主要部件包括：含有供料盘的送料机构用于远程推送料丝丝状材料由送料电机直接驱动齿轮，利用齿的摩擦推力将料丝挤入喉管、运载挤出机的机械载台是静止的或是作1维、2维或3维运动；因而所匹配的载物工作台依次是匹配进行或是作3维、2维、1维或静止的运动、还有保持上述运动构建的结构壳体、电子控制部分、显示屏幕；打印喷头往往经由喉管(金属)与散热器相连接，散热器再直接与机体的承载运动部件连接，并配以散热电扇等；其工作原理已经在[背景技术]部分加以详细表述属于已有公知技术，不再敷述。

6、集束交错式混色喷头构造包括：

7、加热铝块、交错编织集束组件(如同编分叉辫子一样)、喷嘴；而加热铝块上加工有(对接喉管的)料丝入孔、融料腔、融料出孔、加热棒孔等；交错编织集束组件是一个由6-200根毛细管集束而分叉的辫子般构造，分为主干及枝干：(集束)出口面是截面积较大的主干，(集束)入口面则是多个截面积较小，辫子分叉状的枝干，枝干数量是2-15个，且各枝干的毛细管数量之和等于主干毛细管的数量。

8、关于(核心组件)交错编织集束组件的分叉构造规则：是将主干部位的，总数为6-200根毛细管均分为n个毛细管单元(n为2-20)，而组成主干毛细管单元群；各毛细管单元截面形状相同，且能被拼接成一个整个圆或多边形截面，所有单元组成的毛细管单元群组成主干部分；而各个毛细管单元内的毛细管分为本位毛细管和异位毛细管；本位毛细管彼此尽量远离，而异位毛细管的数量为k(n-1)，其中k为整数，n为枝干数目；每一个枝干都汇集一个毛细管单元内的全部本位毛细管和来自另外(n-1)个毛细管单元中的异位毛细管，且每个毛细管单元取k个，总数就为：k(n-1)个，且k个异位毛细管的位置相对各个毛细管单元都不重复及重叠。

9、需要强调的是：对于上述的主干与枝干的分配关系，允许有一定的偏离：就是各个枝干中的毛细管允许交换，各个枝干中的毛细管的数量也可以不等，偏离数量比例不大时，对整机混合均匀性的影响不大。

10、集束交错式混色喷头的装配：加热棒及温度传感器分别插入所对应的加热棒孔等孔洞内部；加热铝块底部的各融料腔的融料出孔对接交错编织集束组件的集束入口的枝干部位，就是各枝干部位插入各融料出孔中；而错编织集束组件的集束出口的主干部位用于对接喷嘴；封底罩是选择性部件，作用是将交错编织集束组件包裹住并固定，而集束出口的主干部位则暴露在封底罩的孔洞处；就是喷嘴的外螺纹或内螺纹或紧配柱面，与加热铝块或封底罩的孔洞的内螺纹或外螺纹或紧配柱面，旋转配合或插入紧配合后，直接导流集束出口的融料从喷嘴的喷口喷出；

11、集束交错式混色喷头的混色工作过程：

12、当被打印机推料器推送的各色料丝(经过散热体的过料孔，喉管)经过料丝入孔分别进入各自的料丝入孔进入各自的融料腔(融料腔的位置处于加热铝块内部的，料丝入孔与融料出孔之间的管道空间)被热融之后，经过各交错编织集束组件的集束入口，经过毛细管的汇集传输，至集束交错编织集束组件的出口面后，进入了混料腔；混料腔是由交错编织集束组件的出口(面)与喷嘴内壁所形成的空间；由于交错编织集束组件的出口(面)的各色物料彼此间隔、交错排列充分的分配，这样在流经喷嘴出口的过程中，各颜色的物料稍加混合，喷嘴就喷出了均匀色彩细丝。

13、集束交错式混色喷头的制造工艺核心是交错编织集束组件的制造：

14、将主干部位的n组毛细管单元轧紧；下一步进行交错编织n个枝干集束部位；具体方法为：由里向外依次处理原则、就近依次倒向原则及浇铸或灌注成型原则；需要指出的是，采用封底罩容易进行封装工艺，将交错编织集束组件包裹住并固定下来，当在封底罩壁上留有一些孔洞，高温下可以铸入高温锡合金等，可以填满空隙，起到了密封及各色通道隔离的作用；简化了工艺；封底罩可以不被使用，工艺上将交错编织集束组件直接用高温填充胶或铅锡等合金浇铸或灌注成型(将浇铸或灌注成型的材料统称为填充材料)，但需要成型模具，产率较低。

15、由主干集束毛细管向枝干毛细管分叉的操作原则：

16、*由里向外依次处理原则：将主干截面上的全部毛细管由外围开始向n个集束出口分配；

17、*就近依次倒向原则；按照顺时针或逆时针的顺序，本着就近的原则，向n个集束出口分配；

18、*浇铸或灌注成型原则：将经过上述原则所形成的交错编织的集束构造，在夹具的约束下，使用铅锡等合金、高温胶、填充物料进行浇铸或灌注成型；

19、进一步：对于交错编织集束组件来说，允许主干毛细管单元群的各毛细管单元之间进行一对一的毛细管交换；而保障混色均匀性基本不变(或下降不多)；

20、进一步：对于毛细管单元群中的各个毛细管单元，的毛细管数量可以是相同的，也可以彼此数量相差不超过30％，以方便分叉排布；但混色效果少许下降；

21、本发明的有益效果：

22、具有混色更加均匀不易热堵头、体积小及容易扩展多路颜色的枝干进料。